JPH1091250A - 低温テストチャンバ内で温度を調整するための装置、および低温テストチャンバ内で温度を調整するための方法 - Google Patents

低温テストチャンバ内で温度を調整するための装置、および低温テストチャンバ内で温度を調整するための方法

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JPH1091250A
JPH1091250A JP9184987A JP18498797A JPH1091250A JP H1091250 A JPH1091250 A JP H1091250A JP 9184987 A JP9184987 A JP 9184987A JP 18498797 A JP18498797 A JP 18498797A JP H1091250 A JPH1091250 A JP H1091250A
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temperature
capillary
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heater
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ロナルド・イー・セイジャー
Stefano Spagna
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 約１．５Ｋから約４００Ｋの間で温度を連続
して調整する能力を有した二重毛管入口低温テストチャ
ンバを提供する。 【解決手段】 テストチャンバ（１５）から間隔をあけ
られ、寒剤から熱的に絶縁された、制御可能に加熱され
る毛管（１３）が低温リザーバ（１２）内に配置され
る。この毛管（１３）は流体の流れに対する特徴的なイ
ンピーダンスを有する。第２の低温かつ高インピーダン
スの毛管（７２）の入口もまた低温リザーバ（１２）内
にあり、低温リザーバ（１２）とテストチャンバ（１
５）との間に接続される。圧力および温度のフィードバ
ックを有した制御システムと異なったインピーダンスの
２つの入口チューブとの組合せが、装置にその動作範囲
内の温度で連続的かつ安定して動作することを可能にさ
せ、または予め定められた温度範囲にわたって円滑に移
行することを可能にさせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明は一般に温度調整に関し、特
に、低温（cryogenic ）テストチャンバ内の温度を調整
して、テストチャンバの温度を動作範囲中で円滑に上げ
下げし、予め定められたいかなる温度をもその動作範囲
内で無限の期間にわたって安定して維持するための装置
および方法に関する。
【０００２】
【先行技術の検討】種々の特性のためにさまざまなタイ
プの標本をテストする必要性がここ数年でかなり増して
いる。このようなテストを極低温で達成するために異な
った方法が編み出されてきた。低温テストチャンバ内の
温度調整は熱エネルギの供給と損失との間に高度なバラ
ンスを要求する。特定的な制御方式の効率の基準は、制
御が維持できる温度範囲の幅とこの範囲内の温度で達成
される持続期間および安定性とである。一般に、２つの
異なった制御モードの動作が、低温容器で用いられる液
体寒剤（冷却剤）媒体の標準沸点よりも上または下で正
確な温度調整を達成するために用いられなければならな
い。この温度は、頻繁に用いられる寒剤である液体ヘリ
ウム（ 4Ｈｅ）では４．２Ｋである。しかしながら、標
準沸点の近傍での温度調整は、この温度領域で液体から
気体の遷移を経験する液体自体の熱特性（すなわち比
熱）における大幅な変化のために特に困難である。熱的
な不安定性を引き起こす温度変動は、低温液体の標準沸
点で温度を制御しようと試みる際、一般に、低温制御モ
ードと高温制御モードとの間を切換える際に遭遇する最
も一般的な問題である。
【０００３】液体冷却剤の標準沸点より上に温度を調整
する際、所望の温度を効果的に維持し、制御するために
熱がテストチャンバに与えられる。リザーバを直接源と
して用い、テストチャンバをより高い温度で調整するこ
とがかなり不経済であるため、テストチャンバは通常よ
り低い温度で周囲から熱的に分離される。次に、僅かな
超過圧力の下で維持された低温容器の残りから結合チュ
ーブのような通路を介してテストチャンバへと液体寒剤
の小部分を引き入れることによって温度調整が達成され
る。テストチャンバと寒剤リザーバとの間の圧力差は、
結合チューブへ入り、温度制御のために必要とされるテ
ストチャンバを介する液体寒剤の唯一の注入機構を効果
的に与える。テストチャンバの内部に達する流体は次に
所望の温度に加熱され、蒸気がテストチャンバを介して
流れて均一な温度制御を与える。この制御方式は高温調
整では適切であるが、低温流体の標準沸点の近傍でのそ
の熱応答は、低温容器だけにおいて存在する超過圧力に
よって受動的に蒸発の流量を制御する困難さのためにや
や不十分である。
【０００４】液体冷却剤の標準沸点より下の温度が必要
とされる場合、テストチャンバから連続的に熱を引き出
す第２の範疇の方法が用いられる。これらの方法では、
テストチャンバの温度が液相の低温流体よりも上の蒸気
に真空を適用することによって低下され、それによって
その沸点温度を下げる。液体 4Ｈｅが低温媒体として用
いられる実際的な応用では、その周囲よりも低い温度に
達するテストチャンバが低温容器内の主浴から熱的に分
離される。これは低温容器内の液体ヘリウム浴の上方に
蒸気を単にポンピングすることが非常に不経済であるた
めである。なぜなら、液体の約４０％が４．２Ｋから
１．５Ｋへとこの温度範囲にわたる比熱の大きな変化の
ために、これを冷却するために蒸発されなければならな
いためである。したがって、液体ヘリウムの大部分をそ
の標準沸点に残し、主浴からこれまでに引き入れられた
ヘリウムの僅か少量だけをテストチャンバへとポンピン
グすることによってより優れた効率が達成される。テス
トチャンバに蓄積された液体 4Ｈｅは次に、液体ヘリウ
ムが所望の制御温度で沸騰するように適切な圧力まで排
出される。しかしながら、ほとんどの実際的な応用で
は、液体の形態で寒剤を蓄積するために利用可能なテス
トチャンバの容積が限られているため（典型的に１０〜
２０立方センチメートル）、液体 4Ｈｅの標準沸点より
下の温度は限られた期間だけ、最低温度ではある場合４
０分から５０分にかけてのみ調整され得る。テストチャ
ンバに集められた液体寒剤が沸騰して蒸発すると、制御
システムはより多くの液体寒剤をテストチャンバへと引
き入れるために充填プロセスを再開始しなければなら
ず、こうして効果的な温度制御を中断する。十分な液体
寒剤がテストチャンバ内に再収集された場合のみ、所望
の温度に再び達し、調整することができる。適切な不足
圧力（underpressure ）を選択し、その圧力を維持する
ように、液体が沸騰するときにテストチャンバを排出さ
せ続けることによって、約１．５Ｋへの所望の温度低下
が達成できる。このような低温テスト装置の先行技術の
装置の一例は米国特許第４，８４８，０９３号に示され
る。
【０００５】この特許は、テストチャンバから間隔をあ
けられているがそれでもなお低温容器の低温流体内に配
置されている制御可能に加熱される毛管によって、低温
容器内のテストチャンバの温度を約１．５Ｋから約３０
０Ｋの間の温度に調整するための装置を開示する。毛管
は低温容器からテストチャンバへの流体の流れを調整し
て、所望の温度がテストチャンバ内で達成されるように
する。高温モードの動作では、加熱された毛管は気体の
形態の低温流体を供給し、液相のいかなる流体もテスト
チャンバに入らないようにする。４．２Ｋ未満の低温モ
ードでは、テストチャンバが液体寒剤で満たされた後テ
ストチャンバへの非常に僅かな気体の流れが許される程
度に毛管が加熱される。
【０００６】この先行技術の装置は図１でここに示さ
れ、ここで、温度調整装置は、液相の流体のリザーバ１
２を低温で含むように適合された低温容器１１と、低温
容器内に配置された毛管１３と、毛管加熱器手段１４
と、低温容器内にあるが毛管から間隔をあけられたテス
トチャンバ１５と、結合チューブ１６と、毛管およびテ
ストチャンバの間の流体流れ経路を規定するコイル１７
およびコイル２１と、テストチャンバ加熱器２２と、排
出手段３８とを含み、排出手段３８は、スループットが
可変の流れのバルブ、適切な圧力センサ、および読出装
置によって調整されるポンプを典型的に含み、テストチ
ャンバを部分的に排出させて低温容器から毛管、結合チ
ューブおよびコイルを介してテストチャンバへと流体を
引き入れる。適切なマイクロプロセッサ制御が加熱器お
よび真空ポンプの動作を温度示度に関連づけるために用
いられる。
【０００７】この先行技術の特許の装置はテストチャン
バの温度をそこにおける流体を所望の温度に維持するこ
とによって調整する。高温モードでは、毛管がそこに流
れるいかなる液体をも沸騰させるのに十分なように毛管
加熱器が毛管を温め、流体が毛管を介してテストチャン
バへと引き入れられるときに流体の相を液相から気相へ
と変化させる。テストチャンバ加熱器はテストチャンバ
内のいかなる気体をも所望の温度に温め、次に、気体が
上方に移動してテストチャンバに沿ってまたはその至る
ところに均一な温度制御を与える。
【０００８】中間温度モード（約４．２Ｋ）では、流体
は、毛管を介してテストチャンバへと引き入れられると
きに温度におけるいかなる正味の変化をも経験せずに液
相であり続ける。流体はしたがってテストチャンバ内の
低温に維持される。
【０００９】低温モードでは、毛管からテストチャンバ
へと引き入れられるときに、液体のリザーバがテストチ
ャンバ内で所望のレベルに蓄積されるまで流体は液相で
あり続ける。次に、毛管加熱器は気泡またはベーパロッ
クを効果的に生じるのに十分なように毛管を急速に温
め、それによって毛管を通る流体の流れを実質的に防
ぐ。そこで、排出手段がそこにおける液体の沸騰温度を
所望の温度に低下させるのに十分なようにテストチャン
バ内の圧力を下げ、液体が沸騰しているときに生じる気
体を排出し続け、それによって液体を４．２Ｋ未満の所
望の温度に維持する。
【００１０】テストチャンバの温度を室温（約３００
Ｋ）から約１．５Ｋの低温にこの先行技術の装置で下げ
るために必要とされる時間は通常の状況では約３０分で
あろう。この低い温度は次に約３０分ないし約６０分間
だけ維持でき、その後再充填および再循環が先行技術の
教示に従って必要である。
【００１１】この装置は多くの目的のためにうまく働い
たが、長い期間、たとえば数時間または無期限に低温を
４．２Ｋ未満の制御されたレベルに維持することは可能
ではなかった。再循環が必要となる前にこのような先行
技術の装置によって与えられる３０分ないし６０分では
いくつかのテストが完了できない。もちろん、温度の安
定性を失うと標本そのものに悪影響を及ぼすことがあ
り、これは不正確なテストデータを生じる。
【００１２】クライオスタットの温度範囲を広げるため
に提案されてきた第１のステップは、適切な流れのイン
ピーダンスを有した熱的に分離された小さい毛管の入口
と低温容器内の機械バルブによって調整されるテストチ
ャンバリザーバへの第２の入口との組合せを、温度制御
されるテストチャンバの入口に設けることによってであ
る。このように、バルブが閉じているときに４．２Ｋ未
満のリザーバの連続的な充填をもたらすように小さい毛
管を用い、また、バルブが開いているときに急速な冷却
をもたらすように第２の入口を通る大きな流れを得るこ
とが可能である。残念ながら、信頼性のある低温バルブ
を作製する困難さがこのアプローチの商業的な実用性を
制限している。用いられている代替例は低温容器の外部
に機械バルブを遠隔的に配置することである。この構成
は機械バルブを介して低温容器の外部に再配置される入
口を必要とする。
【００１３】この装置は（液体 4Ｈｅが用いられるなら
ば）約１．５Ｋから約４００Ｋの温度範囲を原則として
達成させるが、４．２Ｋの近傍での温度調整はやや不十
分である。この構成で利用される長い入口のために、温
度を維持しかつ調整するための長い待ち時間がもたらさ
れる。これは 4Ｈｅの沸点よりも上または下の温度での
深刻な問題をなさないかもしれないが、液体の特性の急
速な熱的変化が速い制御の温度モードを必要とする４．
２Ｋの近辺で著しい不安定性が生じる。
【００１４】低温かまたは約１．５Ｋから約４００Ｋの
間の何らかのレベルで維持されなければならない温度で
標本のテストを行なうことに対する目的は多々あり、広
範囲にわたる。中には寿命のテストも含まれ得る。そこ
では何日または何週間もの期間にわたる観察が可能であ
るならば達成されるであろう。新しいまたは未知のテス
ト標本の磁気的または物理的特性を詳細に特徴づけるに
は、１５Ｋから４００Ｋの間かまたは温度範囲の含まれ
るサブセグメント内での温度移行（sweep ）が必要とさ
れ得る。テスト標本材料の重要な固有の物理特性の兆候
が突然またはある温度で不連続的に起こり得るので、温
度は動作範囲にわたって変化するときに円滑に制御され
ることが重要である。加えて、装置によって達成される
最も低い温度であっても入念なテストは長い測定時間を
必要とし得る。この理由のため、温度が連続的である、
すなわちそれが無期限に維持され得ることが重要であ
る。どの既知の統合された先行技術の装置もこれらすべ
ての目的、すなわち、約１．５Ｋから約４００Ｋの間を
前後に円滑に循環し、その範囲内でいかなる温度も選択
的かつ無期限に維持する能力を達成できない。
【００１５】
【発明の概要】この発明の主な目的は、約１．５Ｋの最
低から約４００Ｋの最高までテストチャンバ温度の円滑
かつ連続的な循環を可能にする低温テスト装置と、同じ
装置において、いかなる所望の高温または低温をもすば
やく達成し、このような温度を無限の期間にわたって安
定して維持する能力とを提供することである。
【００１６】この装置は、低温流体（cryogenic fluid
）が分離されたテストチャンバへと流れ込む前にその
低温流体を予め調整する熱的に分離された可変温度イン
ピーダンス毛管を含む。第２の、より高いインピーダン
スの毛管は、低温（ 4Ｈｅでは４．２Ｋ未満）での連続
的な動作に必要とされるようなテストチャンバ内の液相
の低温流体の主な源を与える。この発明の新規な組合せ
は、約１．５Ｋから約４００Ｋの範囲にわたるテストチ
ャンバ内の温度を生じ、かつ連続的に維持し、１．５Ｋ
から４００Ｋの全範囲にわたって円滑に循環する能力を
与える。
【００１７】この発明の装置は上述された米国特許第
４，８４８，０９３号の低温テスト装置の基本的な構造
および動作を大きな相違点を加えて用いる。テストチャ
ンバへと通じるときに低温流体リザーバを通す他のチュ
ーブに供給を与える第１の温度制御される毛管に加え
て、第２の毛管が低温流体リザーバから保護フィルタだ
けを介してテストチャンバへと直接通じる。この第２の
毛管の実質的にすべての長さが低温容器内で低温流体か
ら熱的かつ物理的に分離される。第２の低温流体インプ
ットと適切な向上した制御とが１．５Ｋから４００Ｋの
全範囲内でいかなる所望の温度もテストチャンバ内で達
成可能にし、無期限に維持可能にする。第２の低温流体
インプットまたはインピーダンスはそのインプット端部
を除き、低温容器内の低温流体浴とは別個に、かつそこ
から分離されて維持される。これは、第１の毛管のイン
ピーダンスよりもはるかに高い、低温流体の流れに対す
るインピーダンスを有する。低温容器からテストチャン
バへと供給を与える２つの流体流れ手段の相対的なイン
ピーダンスのため、この発明はそのテスト範囲内でいか
なる温度をも安定して維持することを可能にし、その範
囲の下端から上端へのテストチャンバ温度の円滑な循環
を容易にする。
【００１８】適切なマイクロプロセッサ制御装置によっ
て制御されると、２つの流体流れインピーダンス手段の
動作の組合わさった方法はテスト温度の全範囲の実現を
可能にする。約４．２Ｋより上の温度では、テストチャ
ンバは比較的小さい不足圧力を受け、第１の毛管は、毛
管を介しテストチャンバへと流れる低温流体のすべてが
気体の形態であるように十分に加熱される。そこで、テ
ストチャンバ加熱器はテストチャンバ内の気体の温度を
所望のレベルまで上げ、その温度を維持することができ
る。第１の毛管のインピーダンスに対する第２の毛管の
比較的高いインピーダンスのために、高温モードでは第
２の毛管を介してテストチャンバへと引き入れられる、
液体の形態の低温流体は非常に僅かである。低い温度の
動作（１．５Ｋから４．２Ｋの間）が所望される場合、
かなり高いレベルの不足圧力がテストチャンバ内で維持
され、一方、第１の毛管はさらに高いレベルまで加熱さ
れ、そこにおいて気泡を生じ、非常に少量の気体以外が
第１の毛管からテストチャンバへと流れ込むことを防
ぐ。液体の形態の低温流体は第２の毛管を介してテスト
チャンバへと直接的に連続して引き入れられ、真空のレ
ベルを調節することによって、４．２Ｋよりも低い温度
でテストチャンバに達する。この理由のため、約１．５
Ｋから約４．２Ｋの間のレベルで高温から冷却する際に
所望の温度が比較的短期間で達成でき、したがってその
温度が無期限に維持できる。
【００１９】装置の動作範囲内の２つの温度点の間の循
環では、その範囲は約１．５Ｋから約４００Ｋであり、
マイクロプロセッサの制御装置は温度センサ、加熱器エ
レメントおよび真空ポンプとともに急速なフィードバッ
クの態様で動作し、テストチャンバ内の所望の温度範囲
にかけて円滑に遷移する。
【００２０】
【好ましい実施例の詳細な説明】この発明の目的、利点
および特徴は添付の図面と関連して読まれると以下の詳
細な説明からより容易に理解されるであろう。
【００２１】この発明は、二重毛管入口構成によって約
１．５Ｋから約４００Ｋの間のレベルで低温容器内のテ
ストチャンバの温度を連続して調整するための装置およ
び方法を与える。これは、気相または液相でのテストチ
ャンバへの冷却剤媒体の一定した流れの供給を用い、そ
こにおける媒体を所望の温度に維持することによって達
成される。この発明に従ったテストチャンバにおける温
度調整のための方法は、テストチャンバの内部を部分的
に排出させることによって液体冷却剤の供給を能動的に
制御して、気圧よりもほぼ１ｐｓｉ上、または絶対目盛
の１６ｐｓｉで低温容器の残りからの通常の定常状態の
圧力差を生じる。新規な統合された二重入口装置と結合
されると、この技術はシステムのすばやい熱応答を生
じ、液体冷却剤の標準沸点の近傍で温度制御および安定
性を容易にし、高温制御モードと低温制御モードとの間
を切換える際に通常遭遇される変動および温度ヒステリ
シスをなくす。
【００２２】この発明の装置は特許第４，８４８，０９
３号の基本的なシステムおよび教示を用いて動作する
が、低温動作を実質的に無期限に維持し、その動作温度
能力内でのいかなる温度範囲にわたっても円滑かつ連続
的に移行し、低温流体の標準沸点において、またはその
上または下で安定した態様で他の温度を維持することを
可能にする著しい改良および変更を有する。この発明の
ある重要な利点は、再充填または再循環を恐らくは必要
とするバッチごとに動作しないことである。いくつかの
先行技術の装置のバッチに基づく動作は標本の内部温度
を再循環プロセス中においてテストチャンバ内で不規則
に変化させる。この発明は再循環の中断がないためによ
り効率的な動作を可能にするだけではなく、テストされ
る標本がテスト中テスト温度にとどまるために測定値お
よび示度がはるかに正確である。したがって、テスト手
順は先行の既知の低温テスト装置ほど標本に影響を及ぼ
さず、偽のテストデータを避け、一方、約１．５Ｋの低
温から約４００Ｋの高温にわたる幅広い動作モードを可
能にし、その動作範囲のどの部分にわたっても円滑な循
環を可能にする。
【００２３】図４−６の温度対時間のプロットは先行技
術の制限とこの発明がそれに対していかに優れているか
を示す。図４は、典型的な先行技術の装置で１０Ｋから
約３Ｋへと低下するときにテストチャンバの温度がいか
に非線形的であるかを示す。定常状態の１０Ｋから、約
４．２Ｋへの比較的急速な降下があり、温度が４．２Ｋ
を通過するときに回復またはバウンス８６が起こる。次
に、液体寒剤がテストチャンバに満たされる長い中間状
態８５があり、次に温度は４．２Ｋ未満に低下し得る。
可変のインピーダンスを介する寒剤の流れが中断される
ときに僅かな上昇８７が起こり、次にここに示されるよ
うに３Ｋへの安定した低下が生じる。もちろん、準沸点
温度（sub-boiling point ）が維持できる時間の長さは
限られている。
【００２４】図５は４．２Ｋ未満から４．２Ｋよりも高
い温度へのテストチャンバの回復を示す。温度が４．２
Ｋを通ってより高い値へと円滑に移動できないときの非
線形性および多重バウンス９１に注目されたい。約１０
Ｋの温度が９２で示され、これは９３で示される、４．
２Ｋよりも高い温度に非線形的に低下される。
【００２５】この発明で可能であるような、１０Ｋから
約２Ｋへの温度低下とその逆とのプロットが図６に示さ
れる。温度がいずれかの方向から４．２Ｋを通るときで
あっても全遷移において線形性があることに注目された
い。２Ｋまたは４．２Ｋ未満の他のレベルでの休止時間
９５は無期限に長くなり得る。例示の目的のためにのみ
約２分の長さがここで示される。図６の目的はそれよ
り、この発明の線形的な温度遷移能力を示すことであ
る。示される温度セグメントにわたる移行の割合は約１
Ｋ／ｍｉｎである。
【００２６】（特許第４，８４８，０９３号からの）図
１の先行技術がここでより詳細に説明される。低温容器
１１は上部表面２３を有した低温流体１２をその内部に
含む。容器１１はクライオスタット２５がそこを介して
延びる開口部を有した気密カバー２４を含む。制御可能
に加熱される（可変のインピーダンスの）毛管１３とそ
の加熱エレメント１４とは分離インピーダンスカプセル
２６内に含まれる。全体のカプセルと毛管１３から突出
する流体流れ手段１６、１７および２１とは容器１１の
内部で低温流体１２の表面２３の下に維持される。毛管
１３を介する結合チューブ１６への入口が低温流体から
分離されている理由は、毛管が動作の目的のために加熱
される際に流体浴の不要な加熱を防ぐためである。
【００２７】カプセル２６は好ましくは、上部端をキャ
ップ３１によって閉じられ、かつ底部端を環状キャップ
３２によって閉じられた管状本体２７から形成される。
内部チューブ３３はキャップ３２を介して延び、チュー
ブ２７のキャップ３１に隣接し、かつそこから間隔をあ
けられた端部３４で閉じられる。内部チューブ３３はそ
こを介して結合チューブ１６が延びる底部開口部３５を
有する。分離するために、チューブ２７の環状部分は排
出チューブ３６によって排出させられ、その端部は製造
プロセスの間閉じられる。加熱器１４は典型的に毛管１
３の周囲に巻かれた抵抗ワイヤを含み、電流がワイヤ３
７によって適用されると非常に小さい毛管を急速に加熱
する。毛管に接続されたワイヤ４１は、以下に説明され
るように制御手段に接続された温度センサを表わす。
【００２８】クライオスタット２５は、底部をカバープ
レート４３によって閉じられ、上部に環状封止４４を有
した外部コンテナまたはシェル４２を含み、環状封止４
４はクライオスタットをカバー２４にしっかり締め、そ
こにクライオスタットの他のエレメントが封止の態様で
通過する。流体コンジット１６，１７は底部カバー４３
内の適切に封止された開口部を介して延びる。シェル４
２内にはテストチャンバ４５があり、これは、テストチ
ャンバ４５のカバー４７における開口部を介して延びる
コイル２１の端部４６によって毛管１３からの流体コン
ジット手段に接続される。テストチャンバ４５内には、
底部をプラグ５２によって封止されたサンプルチューブ
５１がある。テストチャンバ１５内のプラグ５２の下に
延びるのは、電力がワイヤ５３を介して与えられる加熱
エレメント２２である。プラグ５２には、ワイヤ５５を
介して制御手段に接続された温度センサ５４が装着され
る。参照番号５６はこの発明の装置によってテストされ
るべきサンプルを指し、サンプルは典型的にはケーブル
６２によって上部６１から吊るされる。
【００２９】サンプルチューブまたはテスト容器５１は
適切な真空ポンプ（図示せず）によって出口６３を介し
て排出させられる。熱伝導性の不活性ガスが次にサンプ
ルチューブ５１へと入れられて、標本５６と、テストチ
ャンバ１５内の低温流体に接触するサンプルチューブ５
１の壁との間に熱的な接触を与える。熱伝導性である、
低温で気相を維持する典型的に用いられる物質はヘリウ
ムである。ここで、典型的に用いられる低温流体はヘリ
ウム（ 4Ｈｅ）である。ここで検討される温度は低温流
体としてのヘリウムに関した。しかしながら、他の低温
流体が用いられてもよく、その特徴的な温度、具体的に
はその沸騰温度が適宜調節されるであろう。１ミリトル
未満のバックグラウンド圧力に排出されるシェル４２に
よって低温流体リザーバから分離されたクライオスタッ
トのテストチャンバは好ましくは、何らかの適切な分離
材料、たとえばアルミニウム処理されたマイラー等で満
たされる。
【００３０】インピーダンスチャンバ２６内の毛管１３
は事実上、リザーバ１２からテストチャンバ１５への低
温流体の流れのインピーダンス局面を含む。毛管１３の
内径は約０．１ｍｍであり、約１０ｍｍ以下の長さを有
する。毛管１３から延びる結合チューブ１６は約０．６
ｍｍの内径を有する。内部チューブ３５の直径は典型的
には約１．４ｍｍであり、約１００ｍｍの長さを有す
る。これらの寸法は満足な結果を与えるとわかっている
が、他の寸法が用いられてもよく、これらは例示のため
のみのものであることは明白である。もちろん、毛管１
３は、この発明の装置の特定的な目的のために冷却力を
与えるためには、テストチャンバへの流体の質量流量の
意図される割合に適合するように寸法が合わされなけれ
ばならない。与えられる特定的な寸法では、（約１ｍｍ
Ｈｇ以上で）激しくポンピングし、かつ毛管加熱器１４
または加熱器エレメント２２によっては熱が与えられな
いときに、１分当たり約１立方センチメートルの液体ヘ
リウムという流体質量流量が達成できる。
【００３１】毛管加熱器エレメント１４は好ましくは、
約０．０８ｍｍの直径を有する燐青銅の抵抗ワイヤのよ
うな材料から作製される。温度センサ４１は（以下によ
り詳細に説明されるように）超電導ニオブ−チタン合金
等から作られ得る。インピーダンスチャンバの外部チュ
ーブ２７は真鍮、ステンレス鋼などのようないかなる適
切な材料から形成されてもよい。内部チューブ３３およ
び結合チューブ１６は好ましくは、ステンレス鋼または
キュプロニッケル（ＣｕＮｉ）のような熱伝導性の低い
材料から作製される。結合チューブ１６は、インピーダ
ンスチャンバ２６から離れているがなお低温流体リザー
バ１２内にある第１のコイル１７の中へと形成されても
よい。これは、低温流体との熱的接触によって毛管から
テストチャンバへとそれを介して流れる流体の冷却を与
える。結合チューブはまた分離されたコンテナ４２内に
第２のコイル２１を任意に含む。これはテストチャンバ
１５と低温流体１２との間に熱分離を達成するのに役立
つ。
【００３２】毛管加熱器１４の有効さについての一例と
して、加熱器コイルへの約０．１ワットの電力の適用が
毛管１３の温度をおよそ数秒間で約３００Ｋへと上昇さ
せる。以下により詳細に説明されるような装置の動作に
必要なように、より低いレベルの熱を達成するためによ
り少ない量の電力が適用されてもよい。
【００３３】動作において、説明の目的のために４．２
Ｋである、低温流体の沸点よりも高いテストチャンバ温
度では、十分な熱は毛管１３に適用されてそこに流れる
液体を沸騰させる。リザーバ１２からテストチャンバ１
５への流体の流れは真空ポンプ３８によって達成される
真空または不足圧力のレベルに依存することに注目され
たい。また、このタイプの装置では典型的に、低温流体
のレベル２３上に標準気圧よりも約１ｐｓｉ高い超過圧
力が維持されることに注目されたい。これは、ポンプ３
８によって与えられる真空の非常に僅かな量が、低温流
体１２よりも上の超過圧力と組合わされて、リザーバか
ら毛管およびコンジット１６を介してテストチューブ１
５へと至る流体の流れを引き起こすことを意味する。ポ
ンプ３８によって与えられる真空のレベルは、ここに明
らかになるようにこの発明の重大な局面である。比較的
少量の熱が毛管１３に適用される場合、低温流体はその
チューブを介し、結合チューブ１６およびコイル１７お
よび２１を介してテストチャンバ１５へと気相において
のみ流れ込む。加熱された毛管では温度が４．２Ｋ以上
であるが、気体がチューブ１６と流体リザーバ１２内の
コイル１７とを通過するとき、これはテストチャンバ１
５に入る気体がほぼ４．２Ｋであるように冷却される。
この点で、加熱エレメント２２はテストチャンバ内の気
体の温度をいかなる所望のレベル、室温よりも上である
４００Ｋにも上げることができる。
【００３４】特許第４，８４８，０９３号で説明される
ように、テストを約４．２Ｋで行なうことが望まれる場
合、液体の形態の低温流体が毛管１３および結合チュー
ブ１６を介してテストチャンバ１５へとすべてほぼ４．
２Ｋでわたるように、加熱エレメント１４または２２の
いずれも作動されず、真空の非常に低いレベルがポンプ
３８に与えられる。理論上、これは所望される限り４．
２Ｋで連続的なテスト温度を与え得る。実際には、液体
状態と気体状態との間の遷移から生じる温度の著しい不
連続性なしでは低温流体を沸点に維持することは非常に
困難である。この発明は、テストチャンバ温度を不連続
性なしで所望のレベルに制御するための手段を与える。
【００３５】最後に、テストチャンバ内の温度を４．２
Ｋ未満で達成することが望ましい場合、液体の形態の低
温流体が毛管１３および結合チューブ１６を介してテス
トチャンバ１５へとわたり、その液体の量がテストチャ
ンバ内で増える。低温液体の量が所望の量でこのテスト
チャンバ内に蓄積されていると、比較的高い熱が加熱エ
レメント１４を介して適用され、したがって、制限的な
気泡効果またはベーパロックが生じ、かつ液体の流れが
テストチャンバから完全に遮断されるような態様で、毛
管１３内の液体が直ちに沸騰する。毛管を介する気体の
低温流体の残りの流れが僅かあるが、これは液体の形態
で通過した流体の量と比較するとごく僅かであり、１０
０倍もの減少である。テストチャンバ１５内の圧力は必
要なだけ低下されて、その中の液体の沸点を所望の温
度、１．５Ｋもの低い温度に低下させる。機械ポンプ３
８の代わりの（拡散ポンプのような）比較的大きなポン
プでは、沸点が１．３Ｋもの低い値に低減できるが、こ
れはほとんどの目的では非実用的である。低温動作で
は、テストチャンバ内に液体の形状の低温流体がある限
り、テストは低温流体の大気沸点（４．２Ｋ）未満の温
度で続行できる。液体の低温流体がテストチャンバ１５
内で排出されると、テストは中断されなければならず、
説明されたテスト手順が再循環される。
【００３６】ここで図２を参照すると、この発明の二重
毛管入口構成が詳細に説明される。図３に関して説明さ
れる適切な付加的制御機能に加えて、構造上の相違点は
図２の下部の右側部分に示される第２の毛管入口に関す
る。図１に関してこれまでに説明された構造は図２の装
置にすべて組み入れられ、したがって、この発明の改良
された構造および動作に関するその機能局面を除きこの
構造はさらには説明されない。
【００３７】図２の二重毛管構成によって、低温流体の
一定した供給が特定の温度の動作に対して適切であるよ
うに気相または液相でテストチャンバに入ることがで
き、テストチャンバ内の所望の温度が急速かつ正確に達
成でき、正確に維持できる。定常状態の状況はリザーバ
表面２３の上方の約１ｐｓｉの超過圧力が通常の条件と
して存在することである。テストチャンバ１５内のこの
より低いレベルの不足圧力は低温流体の標準沸点に実質
的には影響を及ぼさない。ポンプ３８および加熱エレメ
ント１４および２２によって与えられる真空のレベルに
適切な調節がなされて、これまでに述べられたように図
２のこの発明の装置の全範囲にわたる機能的動作を与え
る。ポンプ３８は、ポンプ自体の速度または他の動作特
性を変えるのではなく真空の適用されるレベルを変える
ように調節されたバルブを含む。ポンプ３８は統合した
バルブアレンジメントを含む。
【００３８】第２の熱的に分離された毛管の流れインピ
ーダンスチューブ７２の上部または入口端部７１はテス
トチャンバ１５の中へと接続する。インピーダンスチュ
ーブ７２の下端部の重要ではない部分と入口フィルタ７
３だけが低温リザーバ１２内に浸される。フィルタは好
ましくは焼結された銅フェルトからなり、たとえば５μ
の粒子捕集サイズを有する。このフィルタは、チューブ
７２が流体リザーバ１２へと直接開かれているならばチ
ューブ７２内の流体の流れを妨げ得る凍った空気または
水素または他の粒子体によるインピーダンス入口、すな
わち毛管７２に起こり得る詰まりを防ぐのに機械的な機
能を有するのみである。チューブ７２はフィルタ７３か
らテストチャンバ１５の入口までで１０１ｍｍ以上の長
さであり得る。この第２のインピーダンス毛管コンジッ
トの直径は毛管１３のそれと同じ、すなわち約０．１ｍ
ｍである。しかしながら、これは、チューブ７２の１８
ｍｍ以上の部分の内部に０．０７５ｍｍの外径を有した
ワイヤ７４を挿入することによってかなり高い流れのイ
ンピーダンスとして形成される。これは、毛管１３の
０．１ｍｍよりもはるかに小さい、断面が僅か約０．０
２５ｍｍの通路を残す。低温毛管入口７２の大きさは、
４．２Ｋ未満のテスト温度に対して高温で加熱され、か
つ本質的に塞がれる場合であっても毛管１３によって与
えられる、テストチャンバに入ってくる熱負荷を釣り合
わせるのに十分な冷却をもたらすように選択されなけれ
ばならない。インピーダンスが大きすぎるならば、冷却
は不十分であり、テストチャンバのリザーバ内には液体
が蓄積しない。インピーダンスが小さ過ぎるならば、必
要以上の液体がテストチャンバへと流れ込み、それによ
って所望の低温に達するのを妨げる。
【００３９】動作において、上述されたような４．２Ｋ
よりも高い高温では、ポンプ３８によって与えられるテ
ストチャンバ１５内の不足圧力は比較的低いレベルであ
り、気相の低温流体が毛管１３および結合チューブ１６
を介してテストチャンバへと容易に引き入れられること
を可能にする。毛管７２のインピーダンスが高く、液相
の低温流体のみがこの高いインピーダンスの入口を通過
するために、この発明の装置がより高い温度で動作して
いるときに液体低温流体が実質的にテストチャンバ１５
へと入らない。４．２Ｋ未満の低温動作では、毛管１３
はそれに適用される比較的高い温度（約３００Ｋ）によ
ってほとんど完全に遮断され、これはそれに接触する低
温流体の急速かつ完全な沸騰によるベーパロックを生じ
る。低温レベルで動作するためには、１ｍｍＨｇ以上ま
たは０．０１ｐｓｉの絶対圧の比較的高いレベルの真空
を適用することが必要である。毛管７２の比較的高いイ
ンピーダンスのために、この例に対する最大の液体ヘリ
ウムの流量は約４００ｃｃ／ｍｉｎである。高いレベル
の真空が維持される限り、液体の低温流体は高インピー
ダンス毛管７２を介して流れ、１．５Ｋもの低い温度が
テストチャンバ１５内で達成でき、無期限に維持でき
る。このような高いレベルの真空では、チューブ７２内
の低温は４．２Ｋ未満である。チューブ７２内の寒剤が
リザーバに晒されないので、冷却された液体は４．２Ｋ
に上昇されない。
【００４０】テストチャンバの温度を４．２Ｋのほぼ臨
界点で維持することが望ましい場合、ポンプ３８によっ
て維持される真空のレベルはリザーバ内の標準気圧で維
持される１ｐｓｉの圧力よりも僅かに小さいだけであ
る。温度を約４．２Ｋで維持する目的のために、約７３
６ｍｍＨｇまたは１４．２３ｐｓｉの真空のレベルが適
用される。これは、４．２Ｋの連続的な動作が維持でき
るように、液体の沸点の低下を事実上引き起こさずに液
体寒剤が高インピーダンスチューブ７２を介して引かれ
るようにする。これは、可変インピーダンスの毛管１３
がすべて４．２Ｋ未満の温度に対して遮断モードで維持
されることを想定する。上述されたように、遮断モード
においても、毛管１３を介する気体の寒剤の僅かな漏れ
があり、したがって、結合チューブ１６および毛管１３
を介してテストチャンバへと漏れる熱によって決定され
る液体ヘリウムの損失の割合がある。低温の高インピー
ダンス入口７２はテストチャンバ内の支配的な熱負荷を
低温リザーバ１２から冷たい液体ヘリウムを連続して引
き出すことによって相殺させる。約１ｐｓｉの圧力差の
リザーバ１２からの液体はインピーダンス７２を介して
等エンタルピー的に広げられ、それによってリザーバの
４．２Ｋよりも低い温度でテストチャンバに達する。主
なリザーバ１２からこのコラムの液体を介して伝えられ
る熱と（低温浴の外部の上部ではより温かい）装置から
の熱とが蒸発の潜在的な熱から利用可能な冷却装置の冷
却力の均衡をとるまで、テストチャンバ１５内の低温リ
ザーバがこれらの条件下で充填し続けることに注目され
たい。
【００４１】図２に関して上述された構造は、無限の期
間にわたって著しい温度変化なしで、約１．５Ｋから約
４００Ｋの範囲内の所望の温度で連続してこの発明の低
温テストチャンバの動作を可能にする。さらに、テスト
チャンバは１．５Ｋから４００Ｋの全範囲内の温度領域
で循環され得る。すなわち、たとえば３Ｋから５０Ｋの
間で温度を円滑に変化させることによってサンプルに対
して磁気測定テストを行なうことが望ましいならば、こ
の装置はこれを行なうことができる。
【００４２】図３の制御装置は図２の構造とともに、先
行技術で知られた低温テスト装置によってこれまでは利
用可能ではなかったテストの達成を可能にする。図３の
制御装置７５は好ましくは多チャンネルでマイクロプロ
セッサに基づくプログラム可能な測定および制御装置
（通常Ｒ／Ｇブリッジと称される）である。一般に、制
御装置７５は広いダイナミックレンジにわたって異なっ
たタイプの温度センサを用いて温度の正確な測定および
制御ができる。一例および好ましい実施例として、制御
装置７５は、２つの独立した比例積分偏差（Ｐ．Ｉ．
Ｄ．）に基づくソフトウェアコントローラによって外部
で調整される１５ワットの２つの出力制御チャネルを組
み入れる。（ＧＰＩＢインタフェースのような）適切な
インタフェース７７を介して制御装置７５に連結される
フルコンピュータタイプのシステム７６が典型的に用い
られて、Ｐ．Ｉ．Ｄ．に基づく温度制御ソフトウェアを
動作し、図２の実施例の所望の目的を達成するためのイ
ンタフェースをユーザに与える。図３の制御システムに
ホストコンピュータ７６が存在するため、ユーザコマン
ド、Ｐ．Ｉ．Ｄ．時定数、利得および他のプロセス変数
の容易な記憶および操作が与えられる。制御装置７５に
おける１５ワットの２つの制御チャネルは、ユーザから
リンク７７を介して受取られたコマンドを達成する温度
計５４によって集められたフィードバック情報を用いて
加熱器２２、ポンプ３８およびバルブを調整する。制御
装置７５内のメモリ（ＲＯＭ）８１における広範囲にわ
たるファームウェアレジデントは、コンピュータ７６に
おける制御ソフトウェアレジデントによってリンク７７
を介して渡される簡単であるが強力な組の実施コマンド
を用いて複雑な制御システムを構成させる。温度計５４
のキャリブレーションファイル（温度計抵抗値に対応す
る温度示度）は、コンピュータ７６におけるＰ．Ｉ．
Ｄ．に基づくソフトウェアレジデントによって達成され
る有効温度制御の前に抵抗から温度への遷移を制御装置
７５内で達成させるメモリ８１内に記憶される。この設
計はシステムの全体の制御応答を著しく高め、これは、
コンピュータ７６における制御Ｐ．Ｉ．Ｄ．に基づくソ
フトウェアレジデントが温度計５４の温度応答に通常関
連した抵抗における非線形性によって影響を及ぼされな
いためである。実際問題として、制御装置７５によって
リンク７７を介して温度フィードバック示度に与えられ
る線形入力の能力は、コンピュータ７６における制御ソ
フトウェアレジデントによるより厳密な制御ループ調整
をもたらす。後述されるように、この構成はたとえば、
図２の実施例に装置の温度範囲のいかなるサブセグメン
ト内においても制御温度を円滑に移行させる。
【００４３】この発明では、テストチャンバ内に液体を
収集するために先行技術のシステムによって頻繁に必要
とされる中間状態の必要性なしに、制御システムは、
４．２Ｋにまたがって円滑に遷移し、かつ４．２Ｋより
も上、４．２Ｋ、またはそれよりも下の温度を無期限に
維持する能力を与える。上述のように、中間状態は、よ
り低い温度を達成し、一般には４．２Ｋより下での安定
性を維持するために先行技術において必要であった。実
際問題として、図４における温度対冷却時間のプロット
によって示されるように、中間状態８５は典型的に恐ら
く数分間（１０−２０分）持続し、ここでソフトウェア
およびハードウェアの変化が低温制御モードを開始する
ために恐らく行なわれる。低温モードは、テストチャン
バ１５内の寒剤の低減された気体の流れが高い真空レベ
ルの確立で達成される状態を含む。中間状態の終わりで
は、制御システムは、温度計５４によって読取られるよ
うな所望の目標温度を達成するために適切な真空レベル
を適用するであろう。しかしながら、低温モードに適切
なハードウェアおよびソフトウェアの必要とされる設定
を達成するために必要な長い時間のために、熱的な不安
定を引き起こす温度変動９１（図５）が、温度を４．２
Ｋちょうどに調整するように試み、一般に低温モードと
高温モードとの間を円滑に切換えるように試みる際に通
常遭遇される問題である。これは、いかなる既知の先行
技術で用いられる装置も、テストチャンバ１５内に存在
する液体の量をすばやく調整し、かつその冷却力を高温
から低温へと円滑に遷移させるのに効果的に用いること
が本来不可能であったためである。
【００４４】この発明では、これらの欠点はテストチャ
ンバ内に液体を収集するための専用または中間の状態の
必要性をなくすことによって未然に防がれる。低温モー
ドの動作が達成されるべき場合、より高いレベルの電流
が加熱エレメント１４に供給され、フィードバックセン
サ４１は３００Ｋのような予め定められた高いレベルが
いつ達成されたのかを示す。上述されたように、この動
作は毛管１３および結合チューブ１６を介してテストチ
ャンバに至る液体寒剤の流れを効果的に遮断する。この
動作は、低温動作モードによって必要とされる、テスト
チャンバ１５内の高い真空レベルの確立のために必要な
ヘリウムの流れを急速（３０秒未満）に変化させるため
の手段を与えるのに加えて、図２に示される二重インピ
ーダンス装置を用いることによって、４．２Ｋより下で
温度を確立するために必要な冷却力を与える冷たい液体
の一定した供給を生じる。高インピーダンス毛管７２を
介して収集された液体はヘリウムリザーバ１２とは熱的
に分離され、所望の低下された（４．２Ｋより下の）温
度でテストチャンバに達する。したがって、温度が４．
２Ｋを通って低下されるときに、高インピーダンス毛管
７２によってテストチャンバ内の液体ヘリウムを自動的
に収集することによって安定した環境が常に維持され
る。１０Ｋ未満の温度では、ワイヤ７４によって制限さ
れる、高インピーダンス毛管７２を介する流れだけで、
低温モードで温度を調整するための冷却をもたらすのに
十分である。これによって、図６に示されるように、ユ
ーザは４．２Ｋを通って冷却モードまたは加熱モードの
いずれかにおいて温度を円滑に遷移可能である。
【００４５】この低温モードでは、所望の温度に依存し
て、ポンプ３８によって確立される真空レベルを調整す
るバルブに調節がなされる。動作温度がほぼ４．２Ｋで
あるべきならば、ポンプ３８での真空レベルは約７３６
ｍｍＨｇを超えない。テストが行なわれるべき温度レベ
ルがほぼ１．５Ｋであるならば、真空レベルは約１ｍｍ
Ｈｇ以上に増大される。もちろん、制御装置７５は真空
のレベルに絶えずフィードバックを有する。上述のよう
に、最も高いレベルの真空は１ｍｍＨｇ未満であろう
が、 4Ｈｅのほぼ沸点での均衡は比較的低く、約７３６
ｍｍＨｇであろう。
【００４６】４．２Ｋより上である高温モードで動作す
る際、適切に小さい電流が加熱エレメント１４に送ら
れ、同時に毛管１３の温度がセンサ４１によって読取ら
れる。一般に、液体が毛管を流れるときにそれを沸騰さ
せるのに十分高いがそこを通る質量流量の割合を著しく
低下させるほど高くはない約１０Ｋに毛管の温度を上昇
させることが望ましいであろう。この温度は、約１０Ｋ
未満の温度で超電導モードにおいて電流を導通する抵抗
ワイヤのような材料を温度センサ４１のために用いるこ
とによって都合よく維持される。このようなワイヤで
は、超電導モードにある際、センサの電気抵抗がほぼ０
まで低下し、制御装置７５はセンサ４１がその超電導モ
ードにあるかどうかを判断することによって毛管１３の
温度を決定する。これは、ポンプ３８によって生じる不
足圧力によってそこに引き入れられた、気体の形態の低
温流体をテストチャンバ１５へともたらし、そのレベル
は制御装置７５によって正確に制御される。ポンプ３８
への信号は、与えられる真空レベルについての一定した
情報を与えるポンプ３８からのフィードバック信号を含
むことに注目されたい。上述されたように、気体の寒剤
がテストチャンバ１５へと連続して与えられる高温モー
ドで動作する際、真空レベルは極めて低く、約７６０ｍ
ｍＨｇに近く、ヘリウムガスの約２００ｃｃ／ｍｉｎ．
の流量を生じる、ヘリウムリザーバに維持される１ｐｓ
ｉの不足圧力のみにおいて効果的に動作させる。熱セン
サ５４は入力信号を制御装置７５に与え、電流は図３に
示されるように加熱エレメント２２に与えられる。した
がって、操作者がテストチャンバを所望の動作温度に入
れるとき、制御装置７５はテストチャンバにおける温度
を絶えず読取り（センサ５４）、加熱エレメント２２を
介して適宜さらなる熱を与える。高温動作中は通常、真
空レベルはテストチャンバに気体の低温流体の連続的な
供給を与えるのに適切なように真空レベルが決定され、
これはより低い温度まで冷却する際を除き通常変化され
ない。
【００４７】操作者が動作温度をたとえば２．８Ｋに設
定すると、制御装置７５におけるプログラムは、毛管１
３を通る寒剤の流れを遮断するために高い電流を加熱エ
レメント１４に直ちに与え、加熱エレメント２２へのい
かなる電流も遮断し、ほぼ３８１ｍｍＨｇまたは７．２
ｐｓｉの絶対圧のような、ポンプ３８によって適用すべ
き真空レベルを決定するためにフィードバックモードで
能動的に制御する。所望の動作温度が５０Ｋであるなら
ば、加熱エレメント１４は上述されたようにほぼ１０Ｋ
まで加熱され、電力が加熱エレメント２２に与えられ
て、センサ５４によって決定されるように５０Ｋまでテ
ストチャンバ１５内の温度を上昇させるであろう。これ
は、制御装置７５がセンサ５４からの連続的な示度に基
づいて加熱エレメント２２に電流を供給するように一定
したフィードバック動作である。同時に、ポンプ３８に
よって与えられる真空レベルは、７６０ｍｍＨｇに近い
極めて低いレベルにとどまる。
【００４８】この発明の装置を低いポイントと高いポイ
ントとの間、たとえば１．５Ｋと１００Ｋとの間を連続
的な移行モードで動作させることが可能である。このモ
ードの動作では、制御装置７５は、手段７７でユーザに
よって特定される目標温度まで円滑に上昇する可動の温
度設定ポイントで温度調整を常に維持する。たとえば、
１００Ｋの目標テスト温度では、１．５Ｋから１００Ｋ
の間のアプローチの割合（Ｋ／ｍｉｎ）に従って制御装
置７５によって計算される多くの設定ポイントがあり得
る。目標に達するまで、設定ポイントまたはマイルスト
ーンを達するごとに新しいものが確立される。制御シス
テム７５は温度センサ４１および５４から集められた情
報を用いて、中間温度で休止する必要なしにユーザの所
望する割合で目標温度に移行するようにアクチュエータ
（加熱器１４および２２、ならびにポンプ３８とテスト
チャンバ内のそのバルブとによって確立される真空レベ
ル）を制御する。実際問題として、テストチャンバ内の
所望の温度を確立するために必要とされる、温度計５４
からのフィードバック情報を用いて、スループットを調
整するバルブを次第に開くことによって、制御装置７５
は加熱器２２の設定とポンプ３８によって確立される真
空レベルとを次第に変化させる。制御装置７５の動的局
面は、４．２Ｋの沸点に接近する際の温度変化の速度に
依存して可変インピーダンスの毛管１３が異なった温度
で遮断され得ることである。冷却が４．２Ｋの近傍で比
較的早く（７Ｋ／ｍｉｎよりも典型的に高い割合で）達
成されるならば、加熱エレメント１４はセンサ５４によ
って示されるようにテストチャンバ１５が約１０Ｋであ
るときにほぼ３００Ｋの遮断レベルまで上昇される。し
かしながら、冷却サイクルが（ほぼ７Ｋ／ｍｉｎ未満の
割合で）比較的ゆっくりと進行しているならば、毛管１
３の遮断はセンサ５４が約６Ｋを示すときに起こり得
る。上述のように、最も高い真空レベルは１ｍｍＨｇ以
上の範囲であろうが、ヘリウムの沸点での均衡は約７３
６ｍｍＨｇで比較的低いであろう。動作温度がほぼ４．
２Ｋであるべきならば、高インピーダンス入口を通る液
体の流れは約７３６ｍｍＨｇを超えない真空レベルで温
度の安定性を維持するのに十分である。
【００４９】毛管１３の遮断より下の動作温度でこの発
明の装置の動作を反復するために、液体の形態の寒剤
は、テスト温度がいかに低いべきかに依存して、比較的
高い真空の下ほとんど毛管７２だけを介してテストチャ
ンバに入る。毛管１３の遮断ポイントの上では、実質的
にすべての寒剤が毛管１３によってテストチャンバに入
り、気体の状態である。遷移状態では、寒剤は両方の毛
管を介してテストチャンバに入り得る。
【００５０】この発明の重要な局面は、制御装置７５が
所望の温度、または温度変化の割合を達成または維持
し、またはその両方を行なうために図２の装置を調節で
きる速度である。連続的なフィードバックループでは、
制御装置７５はテストチャンバでセンサ５４から示度を
とり、目標温度が非常に狭い公差（典型的には約０．５
％）で維持されるか、または温度移行が不連続性なしで
行なわれるように、テストチャンバに適用される真空の
レベルまたは熱のレベルを連続的に調節する。
【００５１】加熱器１４および２２と、センサ４１およ
び５４と、ポンプ３８とが単数形で示されているが、こ
れらのどれもが動作速度または向上した正確さのために
必要であるならば複数のエレメントを含んでもよい。特
定的な温度、圧力または他の詳細は例示のみのために与
えられる。
【００５２】上の説明を考慮して、当業者はこの発明の
変更および改良を想起するであろう。この発明は前掲の
特許請求の範囲の精神および範疇によってのみ限定さ
れ、十分な考慮が均等物の適切な範囲に与えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従った低温液体および温度調整装置
を含む低温容器の断面図である。
【図２】この発明の装置の断面図である。
【図３】この発明の制御部分の簡略化された概略図であ
り、図２の装置の電気コンポーネントへの電気接続を示
す図である。
【図４】テストチャンバの温度を下げるときの、典型的
な先行技術の温度調整装置のための温度（ケルヴィン）
対時間のプロット図である。
【図５】テストチャンバの温度を上げるときの、図４の
先行技術の装置のための温度対時間のプロット図であ
る。
【図６】テストチャンバの温度を上げ下げするときの、
この発明の温度対時間のプロット図である。
【符号の説明】
１２ 低温リザーバ １３ 毛管 １５ テストチャンバ ７２ 毛管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステファノ・スパーニャ アメリカ合衆国、92037 カリフォルニア 州、ラ・ホッラ、サウス・コースト・ブー ルバード、921

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低温テストチャンバ内で温度を調整する
    ための装置であって、前記装置は、 液相の流体のリザーバを低温で含むように適合された低
    温容器と、 前記低温容器内にテストチャンバを規定する手段と、 前記低温容器の内部の低温流体と前記テストチャンバと
    の間に流体流れ経路を規定するとともに、入口端部と前
    記テストチャンバの内部と流体で通じる出口端部とを有
    する第１の流体流れ手段と、 前記低温容器内に配置され、前記第１の流体流れ手段の
    前記入口端部と前記低温容器内の前記低温流体との間に
    接続され、流体の流れに対する第１のインピーダンスを
    有する第１の毛管と、 前記第１の毛管と熱的に通じた毛管加熱器手段と、 前記テストチャンバと熱的に通じたテストチャンバ加熱
    器手段と、 一般に前記低温容器の内部から分離されるとともに前記
    第１の流れのインピーダンスよりもはるかに高い第２の
    流れのインピーダンスを有する第２の毛管を部分的に含
    み、前記低温容器の内部の前記低温流体と前記テストチ
    ャンバとの間に接続された第２の流体流れ手段と、 前記テストチャンバを部分的に排出させて、前記低温容
    器から選択的に前記第１の流体流れ手段および前記第２
    の流体流れ手段を介して前記テストチャンバへと流体を
    引き入れるように動作する排出手段とを含み、 前記装置が動作しているとき、前記テストチャンバが前
    記低温流体の中へ延び、かつその内部に維持され、前記
    第１の流体流れ手段および前記第２の流体流れ手段が前
    記低温流体の表面下で前記低温容器内の前記低温流体内
    に維持されるレベルで前記低温容器内の前記低温流体が
    維持される、装置。
  2. 【請求項２】 前記毛管加熱器手段、前記テストチャン
    バ加熱器手段、および前記排出手段に接続された制御手
    段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記第１の毛管と熱的に通じた第１の温
    度センサ手段をさらに含み、前記第１の温度センサ手段
    は出力を有する、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記テストチャンバと熱的に通じた第２
    の温度センサ手段をさらに含み、前記第２の温度センサ
    手段は出力を有する、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記毛管加熱器手段と、前記テストチャ
    ンバ加熱器手段と、前記排出手段と、前記第１の温度セ
    ンサ手段の前記出力と、前記第２の温度センサ手段の前
    記出力とにフィードバック配列で接続された制御手段を
    さらに含み、前記毛管加熱器手段、前記テストチャンバ
    加熱器手段および前記排出手段は前記制御手段で確立さ
    れる温度目標値に従った前記第１の温度センサ出力およ
    び前記第２の温度センサ出力に応答して制御される、請
    求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記制御手段は前記第２の温度センサ手
    段によって実現されるべき温度目標値に入るための手段
    を含む、請求項２に記載の装置。
  7. 【請求項７】 低温容器内の低温流体のリザーバに結合
    された低温テストチャンバ内の温度を調整するための方
    法であって、前記低温容器は、第１の加熱器と流体を前
    記テストチャンバに結合する可変の第１の流れのインピ
    ーダンスとを有した第１の毛管と、通常の第１の流れの
    インピーダンスよりも実質的に高い安定した第２の流れ
    のインピーダンスを有した第２の毛管とを含み、前記第
    ２の毛管は前記流体を前記テストチャンバに結合し、さ
    らに、前記テストチャンバ内の第２の加熱器を含み、調
    節可能な排出装置およびプログラム可能な制御装置があ
    り、前記方法は、 前記制御装置において前記テストチャンバのための目標
    温度を確立するステップと、 前記排出装置を作動させて前記テストチャンバ内で予め
    定められた不足圧力を確立するステップと、 前記テストチャンバ内の温度を感知するステップと、 ２つの毛管のうち少なくとも１つを介して低温流体を前
    記テストチャンバに選択的に引き入れるステップと、 前記第１の加熱器、前記第２の加熱器および前記排出装
    置を選択的に作動させて前記目標温度を達成し、維持す
    るステップとを含む、方法。
  8. 【請求項８】 前記目標温度は約１．５Ｋから約４００
    Ｋの範囲である、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記目標温度は約１．５Ｋから約４００
    Ｋの範囲内のセグメントである、請求項８に記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 前記テストチャンバ内の温度は前記範
    囲を連続的に移行させられる、請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記制御装置は前記排出装置を調節す
    ることによって前記テストチャンバ内の不足圧力を変化
    させる、請求項７に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記テストチャンバ加熱器は、前記低
    温流体の沸騰温度より上に前記テストチャンバ内の温度
    を上げるために作動される、請求項７に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記低温流体は、前記第１の加熱器の
    温度が予め定められたレベルに上げられるとき、前記テ
    ストチャンバに入る前に気相に変換される、請求項７に
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記第１の毛管は、前記第１の加熱器
    の温度がほぼ室温のレベルに上げられるとき、前記テス
    トチャンバへの低温流体の流れを効果的に防ぐ、請求項
    ７に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記第１の毛管を通る流れが第２の毛
    管を介して前記テストチャンバへと低温流体を引き入れ
    るために効果的に防がれるとき、前記テストチャンバ内
    の前記不足圧力が上げられる、請求項１４に記載の方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記テストチャンバ内の不足圧力を下
    げることによって、前記テストチャンバ内の温度を前記
    低温流体の沸騰温度より下に下げるステップをさらに含
    む、請求項１５に記載の方法。
JP9184987A 1996-07-12 1997-07-10 低温テストチャンバ内で温度を調整するための装置、および低温テストチャンバ内で温度を調整するための方法 Withdrawn JPH1091250A (ja)

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